南京大学刘晓峻、程营课题组实现辐射方向任意可调的拓扑声天线和角度可控的克莱因隧穿效应
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近日，南京大学物理学院声学研究所刘晓峻教授与程营教授课题组在拓扑声学领域取得重要突破。研究团队基于腔-管耦合声子晶体结构设计了一种二维声学拓扑超材料，可通过调节声学参数，实现狄拉克锥在整个布里渊区内的自由移动，进而提出了辐射方向任意可调的拓扑声天线和角度可控的克莱因隧穿效应。相关成果以“All-angle acoustic topological insulators: from omnidirectional antennas to angle-tunable Klein tunneling”为题，于2026年6月5日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review, nwag346）。
狄拉克锥是石墨烯、拓扑绝缘体等材料能带结构中的标志性特征，由于晶格对称性，其一般出现在第一布里渊区的高对称点（如蜂窝晶格的K和K'点）。在声学系统中，虽然通过调整单元结构或者几何尺寸可使狄拉克锥在倒空间内产生微小移动，但其在声子晶体布里渊区内的任意分布始终是一个重大挑战。研究团队通过构建二维倾斜Su-Schrieffer-Heeger声子晶体，调节耦合管宽度控制耦合大小，使狄拉克锥在倒空间中可连续移动至任意位置，进而实现了辐射角度任意可调的声学天线和角度可控的克莱因隧穿效应，示意图如图1所示。
图1 (a) 可移动狄拉克锥示意图。(b) 全角度拓扑声天线示意图。(c) 全角度声克莱因隧穿示意图。
具体地，研究团队设计了两种具有不同耦合模式的声子晶体结构，其区别在于，具有固定大小的耦合t的空间分布形式呈对角型（type-1）或反对角型（type-2）排布，如图2所示。每个元胞包含四个相同尺寸的声学共振腔，通过不同宽度的矩形耦合管相连接。调节两种声子晶体耦合管宽度参数，狄拉克锥的位置可在整个第一布里渊区内自由调控。基于这一灵活的调控手段，研究团队进一步提出了两种新颖的拓扑声学原型器件。首先，调制元胞中声学共振腔的高度可打破狄拉克锥的简并，实现声学能谷效应和拓扑谷霍尔边界态。进一步地，通过上述方法移动狄拉克锥的倒空间位置，可精确控制声波边界态辐射到自由空间的角度，辐射角可在-90°至+90°范围内连续调节，且波束具有高指向性和旁瓣抑制特性，相关仿真结果如图3所示。研究团队在实验中测量了相应的辐射声场，得到了与理论计算及仿真预测相同的高指向性辐射声束。如图4所示，通过调整结构参数，得到了三种不同角度出射的声束，验证了所提出的拓扑声天线的辐射角度灵活可调性质。研究团队还进行了鲁棒性相关的仿真模拟，即使引入尖锐弯折或随机分布障碍物，器件的性能仍保持高鲁棒性。
图2 (a) Type-1结构模型。(b) Type-1结构能带图。(c) Type-2结构模型。(d) Type-2结构能带图。(e) 耦合大小的变化路径。(f),(g)两种结构的狄拉克锥随(e)中耦合大小变化的移动结果。
图3 (a) 元胞示意图。(b) 腔体高度相同时的能带。(c) 腔体高度调制后的能带。(d),(e)不同高度调制时的贝里曲率。(f) 边界态色散曲线及声压场图。(g) 声波拓扑边界态的指向性辐射声场。
图4 (a) 实验装置图。(b) 不同角度的远场辐射图。(c)弯折和(d)插入杂质时的鲁棒性仿真结果。
最后，研究团队基于以上腔体模型构建声学异质结构，通过调节不同区域的腔高，构建势垒，实现声学克莱因隧穿效应，如图5所示。传统克莱因隧穿效应要求入射波矢量平行于狄拉克锥方向，因此入射角固定。而该结构通过将狄拉克锥移动至布里渊区内任意位置，可以实现任意入射角下近乎完美的克莱因隧穿效应。研究团队分别展示了不同结构参数在0°和25°入射角的仿真结果，可以看出明显的入射角度依赖的克莱因隧穿现象。该工作为声波操控提供了新的方案，使拓扑天线不再受限于特定角度，此方法可推广至电磁波、弹性波等其他波动系统，有望推动可重构拓扑波导、角度可调分束器、声学逻辑元件等新型器件的研发。
图5 (a) 声学克莱因隧穿示意图。(b) 元胞和对应的色散曲线。(c) 0度和25度入射的仿真声压场。(d) 绿线位置处关于角度变化的归一化透射强度。(e)和(f)与(c)和(d)相同，但对于不同结构参数。
南京大学为第一作者单位和第一通讯单位，物理学院毕业博士生岳子冲、在读博士生王朔辰为共同第一作者，物理学院张志旺副教授、程营教授、刘晓峻教授以及西班牙马德里材料研究所Johan Christensen研究员为共同通讯作者。该项工作得到了人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学硏究中心的支持，并获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、南京大学“789科技攻关计划”、南京大学国际合作提升计划等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwag346
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